Tema 11 Propiedades de los materiales

1.- Tipos de materiales

Los materiales son sustancias que, a causa de sus propiedades, resultan de utilidad para la fabricación de estructuras, maquinaria y otros productos.

Existen materiales de muy diversos tipos que, de forma muy regular, se pueden clasificar en cuatro grandes grupos:

• Metales y aleaciones: hierro y acero, aluminio, cobre, níquel, titán, etc., y sus aleaciones.

• Polímeros: gran desarrollo potencial. Comúnmente llamados plásticos.

• Cerámicos y vidrios: vidrios, cementos, hormigones, etc.

• Materiales compuestos: mezcla de materiales: madera, fibra de vidrio, fibra de carbono, polímeros rellenos.

2.- Propiedades de los materiales

Las propiedades de un material determinado se pueden clasificar en cinco grupos diferentes:

• Propiedades químicas.

• Propiedades físicas. Principales

• Propiedades mecánicas

• Propiedades estéticas y económicas

• Propiedades de fabricación

Salvo las estéticas y económicas, las demás propiedades de un material dependen de su estructura interna y condicionan su comportamiento durante el proceso de fabricación, a la vez que le confieren utilidad para unas determinadas aplicaciones.

Ya que la estructura interna de un material define sus propiedades, si queremos modificar éstas habrá que variar de alguna manera su estructura interna; esto se consigue, en el caso de los metales, al alearlos entre sí o al someterlos a tratamientos térmicos, como se analiza más adelante.

3.- Propiedades químicas

Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la alteración química que puede experimentar en procesos de oxidación o corrosión.

3.1.- Oxidación

Consiste en la cesión de electrones.

Cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos más o menos complejos, se dice que experimenta una reacción de oxidación. De esta forma esquemática se puede representar el proceso de oxidación de la siguiente manera:

Cuando un material se encuentra situado en una atmósfera oxidante, su superficie se oxida más o menos rápidamente; el óxido que se transforma se deposita en la parte exterior del material recubriéndolo por completo. Para que el proceso de oxidación continúe en esa situación, el material o el oxígeno deben atravesar, por difusión, la capa de óxido, que se comporta oponiéndose tanto al movimiento de los átomos de oxígeno como a los del material. Existen capas de óxidos que presentan mayor oposición a este movimiento que otras.

Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra sometido un material, mayor será la velocidad a la que se produce su oxidación, pues un aumento de temperatura activa el proceso de difusión de los átomos del material y del oxígeno en la capa del óxido.

Para aumentar su resistencia a la oxidación, el acero dulce se alea con otro material que tenga una energía de oxidación mayor y una velocidad de oxidación menor que la suya.

En ese caso, el material añadido se oxida primero debido a su mayor energía de oxidación; pero al formarse una capa de óxido el proceso de oxidación se frena, transcurriendo a partir de entonces a una velocidad muy lenta.

3.2.- Corrosión

Cuando la oxidación de un material concreto se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas, se denomina corrosión. Ésta es mucho más peligrosa para la vida de los materiales que la oxidación simple, pues en un medio húmedo la capa de óxido no se deposita sobre el material, sino que se disuelve y acaba por desprenderse.

La corrosión no se verifica de una manera uniforme, sino que existen determinados puntos del material donde el ataque es mayor. Esto da lugar a la formación de importantes fisuras, que pueden llegar a producir una rotura por fatiga o una fractura frágil.

4.- Propiedades físicas

4.1.- Densidad y peso específico (según autores es una propiedad mecánica)

Se denomina densidad (d) a la relación existente entre la masa de un determinado material y el volumen que ocupa. Su unidad en el S.I. es el Kg/m3. La magnitud inversa a la densidad se conoce como volumen específico.

Por su peso (Pe) se entiende la relación existente entre el peso de una determinada cantidad de materia el volumen que ocupa. Su unidad en el S.I. es el N/m3.

4.2.- Propiedades eléctricas

Todas las sustancias, en mayor o menos grado, son conductoras de la corriente eléctrica y también, según ciertas características de construcción y naturaleza, ofrecen una resistencia al paso de la corriente.

Todas estas propiedades condicionan, en muchos casos el destino de un material en concreto.

La resistencia eléctrica de un material conductor depende, entre otros factores, de su naturaleza; es decir, de la presencia de e- móviles en los átomos y de su grado de movilidad.

Esta propiedad, específica de cada sustancia, se denomina resistividad (  ); se define como la resistencia que ofrece al paso de la corriente un elemento de ese material de 1m de longitud y de 1m2 de sección. Se mide en  · m.

l = longitud en m

S = sección en mm2

p = resistividad en  · m

A menor t, R disminuye.

Los metales son, en general, buenos conductores de la corriente eléctrica, pues su estructura interna es muy ordenada y los electrones no se encuentran sujetos a un determinado átomo. En cambio, la madera, los compuestos cerámicos, los polímeros... poseen resistividades muy altas debido a que los electrones de sus átomos carecen prácticamente de movilidad; se dice que son malos conductores de la electricidad.

De acuerdo con su resistividad, los materiales se clasifican en conductores, utilizados en cables de transmisión (p muy pequeño), y aislantes (p muy grande), según que permitan fácilmente o impidan casi por completo el paso de la corriente eléctrica a través de ellos.

Además de los materiales conductores y aislantes existen otros, denominados semiconductores, constituidos por silicio o germanio, dopado con impurezas de tipo n(arsénico, aluminio, fósforo) o de tipo p(galio, boro), que son la base de todos los componentes electrónicos.

4.3.- Propiedades térmicas

Determinan el comportamiento del material en unas condiciones dadas.

4.3.1.- Dilatación térmica

La mayoría de los materiales aumentan de tamaño (se dilatan) al aumentar su temperatura, siempre que no se produzcan cambios de fase. El origen de la dilatación térmica reside en que al amentar la temperatura aumentan las vibraciones de las partículas del material, lo que da origen a una mayor separación entre ellas.

Para longitudes (dilatación lineal):

= coeficiente de dilatación lineal [L] = K-1

4.3.2.- Calor específico

Se define el calor específico (C) de una sustancia como la cantidad de calor que es preciso aportale para que su temperatura aumente 1ºC, sin que presente cambios de fase.

4.3.3.- Temperatura de fusión

Al calentar un sólido, el movimiento vibratorio de sus partículas se va haciendo cada vez más amplio, produciéndose la dilatación; pero si se continúa aumentando la temperatura llega un punto en el que la magnitud de las vibraciones es tal que la estructura del material no se puede mantener y se produce su fusión. La temperatura a la que esto sucede recibe el nombre de temperatura de fusión, la cual varía ligeramente con la presión. La temperatura de fusión a presión normal se conoce como punto de fusión. Ésta es una propiedad característica de cada sustancia y sirve en muchas ocasiones para identificarla. En casi todas las sustancias, salvo unas pocas -entre las que se encuentra el agua-, la fusión va acompañada de un aumento del volumen.

El punto de fusión de un sólido será tanto mayor cuanto mayores sean las fuerzas que mantienen unidas a sus partículas constituyentes (fuerzas de cohesión).

4.3.4.- Conductividad térmica

La transmisión de calor por conducción se verifica a través de los cuerpos desde los puntos de mayor a los de menor temperatura.

La conductividad térmica (K) es un parámetro indicativo del comportamiento de cada cuerpo frente a este tipo de transmisión de calor.

J = densidad de flujo de calor

K = conductividad térmica

4.4.- Propiedades magnéticas

Teniendo en cuenta su comportamiento frente a un campo magnético exterior, los materiales se pueden clasificar en tres grupos diferentes.

• Materiales diamagnéticos: se oponen al campo magnético aplicado, de tal forma que en su interior el campo magnético es más débil.

• Materiales paramagnéticos: el campo magnético en su interior es algo mayor que el aplicado.

• En el interior de los materiales ferromagnéticos el campo magnético es mucho mayor que el exterior. Estos materiales se utilizan como núcleos magnéticos en transformadores y bobinas en circuitos eléctricos y electrónicos; los más importantes son el hierro, el cobalto, el níquel y sus aleaciones.

4.5.- Propiedades ópticas

Al incidir la luz sobre la superficie de un cuerpo, una parte de ella se refleja; parte se transmite a través del cuerpo; otra parte se difunde, es decir, sufre una reflexión no especular en múltiples direcciones y, por último, la luz restante la absorbe el cuerpo, aumentando su energía interna. El color que presenta un cuerpo se debe precisamente a la luz reflejada si el cuerpo es opaco, o a la que pasa a través de él si es transparente o translúcido.

• Los cuerpos opacos absorben o reflejan totalmente la luz, impidiendo que pase a su través.

• Los cuerpos transparentes transmiten la luz, por lo que permiten ver a través de ellos.

• Por último, el tipo de cuerpos denominados translúcidos dejan pasar la luz, pero impiden ver los objetos a su través.

5.- Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas indican el comportamiento de un material cuando se encuentra sometido a fuerzas exteriores.

5.1.- Ensayo de tracción

La tracción se relaciona con la elasticidad, capacidad de recuperar su forma original al cesar las fuerzas que originan la deformación.

El ensayo de tracción es uno de los más importantes para la determinación de las propiedades mecánicas de los materiales. Los datos obtenidos se pueden utilizar para comparar distintos materiales y comprobar si algunos de ellos podrán resistir los esfuerzos a los que van a ser sometidos en una determinada aplicación.

Este ensayo consiste en estirar una probeta de dimensiones normalizadas por medio de una máquina, a una velocidad lenta y constante, obteniéndose de esta forma la curva de tensión alargamiento.

Resistencia: capacidad de soportar una determinada carga externa.

Tracción

Compresión

Flexión

Zizalladura

Torsión

Tensión: es la fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección (N/m2).

= tensión F = fuerza S0 = sección inicial

Alargamiento o deformación unitaria: es el tanto por uno en que se ha incrementado la longitud de la probeta.

= alargamiento o deformación unitaria

En la curva de tensión-alargamiento se aprecian tres zonas:

Zona elástica: En ella la relación tensión-deformación es lineal, cumpliéndose la ley de Hooke:

en la que E es el módulo de Young o módulo de elasticidad longitudinal, que se expresa en N/m2 en el sistema Internacional. Si se detiene el ensayo en cualquier punto de esta zona, la probeta recupera su longitud inicial. La zona elástica se termina cuando se alcanza el límite elástico (e).

Zona plástica: en ella los alargamientos son permanentes. Si el ensayo se detiene, por ejemplo en el punto A, se recupera el alargamiento elástico (e), quedando un alargamiento remanente o plástico (p).

Zona de estricción: a partir de la carga de rotura la tensión disminuye y la probeta termina por romperse en esta zona.

5.2 Ensayos de dureza

La dureza de los minerales, entendida como la resistencia que oponen a ser rayados, se puede medir mediante la escala de Mohs.

Dureza: resistencia de un material a ser rayado o penetrado por otro. Está relacionado con la resistencia al desgaste.

La dureza se mide como la resistencia que opone un cuerpo a ser penetrado por otro. Esta es la base de los ensayos Brinell, Vickers y Rockwell, en los que se utilizan distintos tipos de penetradores que se aprietan con una fuerza determinada contra el material. La medida de la dureza se obtiene dividiendo la fuerza con la que se ha empujado el penetrador entre la superficie de la huella que éste deja en el material.

La dureza es una propiedad de gran importancia práctica, ya que está relacionada con el comportamiento del material frente a la abrasión o al desgaste, así como con la facilidad con que puede mecanizarse.

Brinell Vickers Rockwell

5.3 Ensayo de resiliencia

El ensayo de resiliencia mide la tenacidad de los materiales.

La tenacidad (propiedad inversa la fragilidad) se define como la capacidad que tiene un material para almacenar energía, en forma de deformación plástica, antes de romperse.

El método más habitual de llevar a cabo la medida de la tenacidad de un material es por medio del ensayo Charpy.

Se dispone de una probeta de sección cuadrada (10·10mm) y de 55mm de longitud en cuya parte central se ha realizado una entalla en forma de U o de V. El ensayo consiste en lanzar una bola sujeta a un hilo, desde una cierta altura contra la probeta por el lado opuesto a la entalla. La resiliencia se calcula dividiendo la energía consumida por el material en la rotura ( diferencia de energías potenciales gravitatorias en las posiciones inicial y final de la bola) entre la sección de la probeta en la zona de entalla. De esta forma se tienen las expresiones:

Los péndulos de Charpy están normalizados.

Un material tenaz o de alta resiliencia se deforma plásticamente de manera importante antes de romperse, mientras que los materiales de baja resiliencia son frágiles y apenas experimentan deformación alguna antes de la rotura.

Resiliencia: resistencia a los choques o esfuerzos bruscos

5.4 Fractura

La fractura de un sólido se puede definir como su separación en dos o más partes como consecuencia de los efectos de una tensión. Existen dos tipos de fracturas:

1/ Fractura dúctil, en la que se produce una importante deformación plástica en la zona de rotura. Debido a la irregularidad de esta deformación plástica, se originan superficies de fractura mates.

2/ Fractura frágil, en la que el material se separa según un plano y sin que apenas se produzca deformación plástica. Este tipo de fractura origina superficies brillantes.

5.5. Fatiga

Por fatiga se entiende la situación en la que se encuentran algunas piezas sometidas a cargas cíclicas de valor inferior al crítico de rotura del material.

Existen dos tipos de fatiga:

Cuando una pieza se encuentra sometida a un proceso de fatiga, las grietas de tamaño diminuto existentes en el material van creciendo progresivamente hasta que en un momento dado el tamaño de la grieta mayor es lo suficientemente grande como para que se produzca la rotura del elemento.

5.6. Termofluencia

Se define como fluencia la lenta y continua deformación plástica que sufre un material a alta temperatura bajo la acción de una carga constante.

La deformación por fluencia que experimenta un material es tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura, o la carga aplicada, o el tiempo que dicha carga ha estado actuando.

La temperatura a la que se producen los fenómenos de fluencia está relacionada con la temperatura de fusión, de tal forma que los efectos de la fluencia comienzan a ser importantes a partir de 0,4 veces la temperatura de fusión expresada en kelvin.

5.7. Fricción

Cuando dos piezas de un mismo material -o de materiales diferentes- se encuentran en contacto, para que comiencen a deslizarse entre sí será preciso aplicar una fuerza:

Siendo N la fuerza normal existente entre las dos piezas, y e el coeficiente de rozamiento estático entre ambos materiales.

Una vez comenzado el deslizamiento, la fuerza necesaria para que continúe es:

En este caso, el coeficiente de rozamiento es el dinámico d, que es menor que el estático.

6. Otras propiedades: estética y económicas

Para que un material sea utilizable en una determinada aplicación, además de poseer unas adecuadas propiedades físicas, químicas y mecánicas, debe tener ciertas propiedades estéticas que agraden a sus usuarios.

Para la elección de un material también resultan importantes sus condiciones económicas; es decir, el coste de transporte desde el lugar de fabricación hasta el de consumo y la disponibilidad del material en el momento en que se necesita.

7. Propiedades de fabricación

Maleabilidad: indica si un material se puede estirar en láminas sin romperse.

Ductilidad: señala si se puede estirar en forma de hilos.

Forjabilidad: da idea de la capacidad que posee un material para ser forjado.

Maquinabilidad: indica si se pueden aplicar procesos de arranque de viruta al material.

No existe ningún material perfecto que sea utilizable para cualquier aplicación

¿Qué es una aleación?

Una aleación es una mezcla de dos o más metales, o de algún metal y no metales, que se mezclan en estado fundido calentándolos por encima de su temperatura de fusión.

Para ser considerada como tal, una aleación debe cumplir dos condiciones:

• Los elementos que se mezclan deben ser totalmente miscibles en estado líquido.

• El producto obtenido debe poseer carácter metálico; es decir, su estructura interna ha de ser semejante a la de los metales.

Los metales se alean para modificar sus propiedades; por ejemplo, la dureza del hierro se eleva extraordinariamente cuando se le adiciona carbono.

Material + Oxígeno Óxido de material

Aceros inoxidables

La adición de un 18% de cromo reduce en más de 100 veces la velocidad de oxidación del acero dulce a 900ºC. Éste es el fundamento de los aceros inoxidables, cuya utilización resulta preferible a la protección de materiales por medio de recubrimientos superficiales.